Luận án Tiễn sĩ Kỹ thuật nhiệt: Nghiên cứu xác định tính chất nhiệt động và khả năng ứng dụng của một số HFO trong lĩnh vực điều hòa không khí

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:218

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu môi chất lạnh thay thế tiềm năng thuộc thế hệ môi chất lạnh thứ 4 để thay thế cho các môi chất lạnh hiện dùng trong các hệ thống điều hòa không khí thỏa mãn các tiêu chí giảm thiểu ô nhiễm môi trường và/hoặc nâng cao hiệu quả làm lạnh. Để hiểu rõ hơn về đề tài, mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết luận án!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiễn sĩ Kỹ thuật nhiệt: Nghiên cứu xác định tính chất nhiệt động và khả năng ứng dụng của một số HFO trong lĩnh vực điều hòa không khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHAN THỊ THU HƯỜNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA MỘT SỐ HFO TRONG LĨNH VỰC ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT Hà Nội – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHAN THỊ THU HƯỜNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA MỘT SỐ HFO TRONG LĨNH VỰC ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ Ngành: Kỹ thuật Nhiệt Mã số: 9520115 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LẠI NGỌC ANH Hà Nội – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là kết quả nghiên cứu của tôi. Những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được các tác giả khác công bố. Luận án này có sử dụng một số thông tin, công cụ do người hướng dẫn cung cấp. Nội dung luận án có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận án. Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định. Hà Nội, ngày ….tháng….. năm 2021 Người hướng dẫn Tác giả luận án PGS.TS. Lại Ngọc Anh Phan Thị Thu Hường i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả những người đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Trước hết, tôi rất biết ơn người hướng dẫn của tôi là PGS.TS. Lại Ngọc Anh, người đã định hướng, cung cấp thông tin, cách tiếp cận các kiến thức chuyên môn, khuyến khích, động viên giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và viết bản luận án này. Tôi cũng xin cảm ơn các thành viên trong đơn vị của tôi - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định - ở các khoa Điện – Điện tử, Cơ khí đã tư vấn, hỗ trợ phần kiến thức chuyên ngành, đưa ra các đề xuất có giá trị trong quá trình nghiên cứu thử nghiệm trong luận án của tôi. Tôi cảm ơn sự hỗ trợ từ các nguồn tài chính của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, từ đề án 911 của Chính phủ, Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ quốc gia và các quỹ tài chính khác. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo từ Viện Khoa học & Công nghệ Nhiệt - Lạnh đã hỗ trợ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Cuối cùng, tôi xin dành kết quả của luận án này cho gia đình của tôi, những người thân thiết đã luôn bên cạnh tôi, động viên, khích lệ, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành được bản luận án. Hà Nội, ngày…. tháng…. năm 2021 Tác giả luận án Phan Thị Thu Hường ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...............................................vii DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...................................................................xii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ..........................................................................................3 3. Nội dung nghiên cứu...........................................................................................3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu .........................................5 6. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................6 7. Các kết quả mới của luận án ...............................................................................7 8. Cấu trúc của luận án ...........................................................................................9 Chương 1 – TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG MÔI CHẤT LẠNH THAY THẾ ................................................................................................................... 12 1.1 Các thế hệ môi chất lạnh .................................................................................12 1.2 Cơ sở pháp lý và sự cần thiết phải nghiên cứu MCL thế hệ mới ...................15 1.3 Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định tính chất nhiệt động cơ bản của môi chất .....................................................................................................................20 1.3.1 Phương pháp dự đoán ..............................................................................20 1.3.2 Phương pháp thực nghiệm .......................................................................22 1.4 Nghiên cứu lý thuyết xác định số liệu nhiệt động tổng hợp của môi chất .....24 1.5 Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chu trình và hệ thống thiết bị chuyển hoá năng lượng .................................................................................................................27 1.5.1 Nghiên cứu lý thuyết ...............................................................................27 1.5.2 Nghiên cứu thực nghiệm chu trình lạnh, bơm nhiệt ................................28 1.6 Phân tích, đánh giá, lựa chọn MCL tiềm năng ...............................................31 1.7 Kết luận chương 1 ...........................................................................................36 Chương 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................ 38 2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình tương tác phân tử ....................................................38 iii
2.1.1 Cơ sở lý thuyết lực tương tác phân tử .....................................................38 2.1.2 Năng lượng tự do Helmholtz ...................................................................41 2.1.3 Mô hình toán xác định lực tương tác phân tử .........................................42 2.2 Cơ sở lý thuyết xác định số liệu nhiệt động dựa trên mô hình năng lượng tương tác phân tử .................................................................................................................46 2.2.1 Cơ sở lý thuyết xác định các thông số nhiệt động ...................................46 2.2.2 Cơ sở lý thuyết xác định các đại lượng đặc trưng trong mô hình tương tác phân tử ..................................................................................................................48 2.3 Cơ sở lý thuyết lựa chọn nghiên cứu môi chất lạnh tiềm năng ......................55 2.3.1 Văn bản pháp quy ....................................................................................55 2.3.2 Sàng lọc và lựa chọn môi chất lạnh tiềm năng ........................................55 2.3.3 Xác định tính chất nhiệt động .................................................................57 2.3.4. Đánh giá tiềm năng thay thế ...................................................................58 2.4 Kết luận chương 2 ...........................................................................................61 Chương 3 – NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH SỐ LIỆU NHIỆT ĐỘNG CỦA MÔI CHẤT R1234ze(Z) VÀ R1243zf .............................................................................................. 62 3.1 Số liệu nhiệt động của môi chất R1234ze(Z) .................................................63 3.1.1 Số liệu nhiệt động cơ bản của R1234ze(Z) .............................................63 3.1.2 Xác định đại lượng đặc trưng trong mô hình tương tác phân tử của R1234ze(Z) ...........................................................................................................66 3.1.3 Đánh giá độ chính xác, tin cậy số liệu nhiệt động của R1234ze(Z)........67 3.1.4 Thông số nhiệt động của R1234ze(Z) trên đường bão hòa .....................72 3.1.5 Thông số nhiệt động của R1234ze(Z) trong vùng 1 pha .........................74 3.1.6 Đồ thị lgp-h của R1234ze(Z)...................................................................75 3.2 Số liệu nhiệt động của môi chất R1243zf .......................................................76 3.2.1 Số liệu nhiệt động cơ bản của R1243zf ...................................................76 3.2.2 Xác định đại lượng đặc trưng trong mô hình tương tác phân tử của R1243zf ..............................................................................................................................78 3.2.3 Đánh giá độ chính xác, tin cậy bộ số liệu nhiệt động của R1243zf ........79 3.2.4 Thông số nhiệt động của R1243zf trên đường bão hòa ..........................82 3.2.5 Thông số nhiệt động của R1243zf trong vùng 1 pha ..............................83 iv
3.2.6 Đồ thị lgp-h của môi chất R1243zf .........................................................85 3.3 Kết luận chương 3 ...........................................................................................85 Chương 4 – NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CHU TRÌNH LẠNH SỬ DỤNG MÔI CHẤT LẠNH TIỀM NĂNG ......................................................................................... 87 4.1 Sơ đồ nguyên lý ..............................................................................................87 4.2 Phạm vi nghiên cứu lý thuyết chu trình lạnh ..................................................88 4.2.1 Các chế độ nghiên cứu ............................................................................88 4.2.2 Lựa chọn môi chất ...................................................................................89 4.3 Cơ sở tính toán ................................................................................................90 4.4 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới chu trình..............................................92 4.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi .............................................................92 4.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ ...........................................................97 4.4.3 Ảnh hưởng của hiệu suất nén không thuận nghịch của máy nén ............99 4.5 Đánh giá tiềm năng thay thế của các môi chất nghiên cứu ..........................100 4.5.1 Môi chất thay thế cho R22 ....................................................................100 4.5.2 Môi chất thay thế cho R134a .................................................................103 4.6 Kết luận chương 4 .........................................................................................106 Chương 5 – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CHU TRÌNH LẠNH SỬ DỤNG MÔI CHẤT R1234ze(E) ...................................................................................................... 108 5.1 Thiết bị thí nghiệm........................................................................................109 5.2 Thiết bị đo, thu thập dữ liệu và điều khiển ...................................................112 5.2.1 Thiết bị thu thập số liệu và kết nối máy tính .........................................113 5.2.2 Hiệu chuẩn cảm biến nhiệt độ, áp suất ..................................................113 5.2.3 Kết nối đồng bộ các thiết bị đo và hiển thị dữ liệu trên máy tính .........119 5.3 Cơ sở tính toán ..............................................................................................119 5.4 Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm chu trình lạnh và các bước tiến hành ......120 5.4.1 Chế độ nghiên cứu .................................................................................120 5.4.2 Môi chất nghiên cứu ..............................................................................121 5.4.3 Các bước tiến hành thực nghiệm ...........................................................122 5.5 Nghiên cứu thực nghiệm xác định COP của chu trình lạnh sử dụng R1234ze(E) và chu trình dùng R134a .........................................................................................122 v
5.6 Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chu trình lạnh sử dụng môi chất R1234ze(E)..............................................................................................................123 5.6.1 Nghiên cứu lý thuyết chu trình theo nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bay hơi thực nghiệm và hiệu suất nén không thuận nghịch lý tưởng bằng 100 % ..........124 5.6.2 Nghiên cứu lý thuyết chu trình theo nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bay hơi và hiệu suất nén không thuận nghịch thu được từ thực nghiệm ..............................124 5.6.3 Chu trình tính theo thực nghiệm............................................................125 5.6.4 So sánh đánh giá hiệu quả biến đổi năng lượng của chu trình lý thuyết và thực nghiệm ........................................................................................................125 5.7 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nước lạnh đến COP của chu trình sử dụng môi chất R1234ze(E) và R134a ..............................................................................127 5.8 Kết luận chương 5 .........................................................................................128 CHƯƠNG 6 – KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN........................................................... 131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 137 Kết luận ...............................................................................................................137 Kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo ...........................................................140 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 142 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................. 148 PHỤ LỤC ............................................................................................................... PL1 vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt AAD Độ sai lệch trung bình tuyệt đối (absolute average deviation) COP Hiệu quả biến đổi năng lượng của chu trình, thiết bị hoạt động theo chu trình ngược chiều, còn được gọi là chỉ số hiệu quả (Coefficient Of Performance) ECS Phương trình trạng thái dựa trên mô hình đồng dạng mở rộng (Extended Corresponding State) F Năng lượng Helmholtz F0 Năng lượng Helmholtz cho phần khí lý tưởng Fr Năng lượng Helmholtz cho phần thực FA Năng lượng do lực hấp dẫn (Attractive dispersion force contribution) FH Năng lượng do tương tác rắn (Hard-body contribution) FQ Năng lượng do tương tác đa cực (Quadrupolar contribution) GWP Tiềm năng làm nóng trái đất (Global warming potential) MBEOS Phương trình trạng thái dựa trên lý thuyết tương tác phân tử (Molecule Based Equation of State) MCL Môi chất lạnh ODP Tiềm năng làm suy giảm tầng ô-dôn (Ozone depletion potential) PC SAFT Mô hình toán học về tương tác của vật chất có cấu tạo mạch thẳng theo mô hình thống kê chuỗi (Perturbed-Chain Statistical Asociating Fluid Theory) PTTT Phương trình trạng thái (EOS: Equation Of State) R Môi chất lạnh (Refrigerant) STA Độ lệch chuẩn TN Thực nghiệm TBBH Thiết bị bay hơi TBNT Thiết bị ngưng tụ Đại lượng và đơn vị đo C Nhiệt dung riêng, J/(kgK) d Đường kính hạt rắn g Gia tốc trọng trường, m/s2 vii
h entanpy, kJ/kg kB Hằng số Boltzmann (Boltzmann constant), J/K m Lưu lượng khối lượng, kg/s m Số phần tử tương đương p Áp suất, Pa Q*2 Mô men đa cực không thứ nguyên (Reduced squared quadrupolar moment) q Năng suất lạnh riêng thể tích, J/m3 s Entropy, J/(kgK) T Nhiệt độ, K hoặc ºC Tb Nhiệt độ sôi thường, ºC t Thời gian, s v Thể tích riêng, m3/kg Ký tự Hy lạp  Hệ số dị hướng (Anisotropy factor)  Hệ số thu gọn  Hệ số mở rộng ϵ Chiều cao của giếng thế năng, J η Hiệu suất nén không thuận nghịch ξ Hệ số nén Π Tỉ số nén ρ Khối lượng riêng, kg/m3  Đường kính tương đương (segment diameter), Å ς Hệ số rút gọn τ Thời gian không thứ nguyên  Hệ số đối xứng Chỉ số dưới 0 Thông số đặc trưng /Trạng thái hóa hơi b Giá trị nhiệt độ sôi thường (boiling) c Giá trị tới hạn (Critical) cal Thông số tính toán (Calculated) exp Thông số thực nghiệm (Experimental) viii
f Chất lưu (Fluid) g Trạng thái hơi quá nhiệt (Gas) k Trạng thái ngưng tụ l Trạng thái lỏng quá lạnh (Liquid) Max Giá trị lớn nhất (Maximum) Min Giá trị nhỏ nhất (Minimum) NC Môi chất nghiên cứu p Quá trình đẳng áp (Isobaric) ql Trạng thái quá lạnh qn Trạng thái quá nhiệt r Trạng thái thực TT Môi chất cần thay thế Chỉ số trên ’ Trạng thái lỏng bão hòa ’’ Trạng thái hơi bão hòa khô 0 Lý tưởng (Ideal) ix
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Danh mục các loại máy lạnh bị áp dụng lệnh cấm trên thị trường của liên minh Châu Âu (nguồn [5]) 16 Bảng 1.2 Tổng kết xu hướng thay thế của thị trường (nguồn: [11]) 17 Bảng 1.3 Một số nghiên cứu theo hướng lý thuyết trên thế giới 27 Bảng 1.4 Một số nghiên cứu theo hướng lý thuyết ở trong nước 28 Bảng 1.5 Một số nghiên cứu theo hướng thực nghiệm trên thế giới 29 Bảng 1.6 Một số nghiên cứu theo hướng thực nghiệm ở trong nước 30 Bảng 1.7 Các đồng phân của R1225, R1234, R1243 31 Bảng 1.8 Thông số tới hạn, Cp0,  của một số đồng phân HFO được tính dựa trên nhiệt độ bay hơi và cấu trúc phân tử (nguồn: [34]) 32 Bảng 1.9 Bảng khảo sát các nghiên cứu thực nghiệm được công bố cho các đồng phân HFO 34 Bảng 2.1 Hệ số và số mũ của năng lượng do lực hấp dẫn, FA 43 Bảng 2.2 Hệ số và số mũ của năng lượng do tương tác đa cực, FQ, Muller [44] 45 Bảng 3.1 Số liệu thông số tới hạn của R1234ze(Z) 64 Bảng 3.2 Số liệu áp suất bão hòa của R1234ze(Z) 65 Bảng 3.3 Số liệu thực nghiệm khối lượng riêng của R1234ze(Z) 65 Bảng 3.4 Bảng tổng kết sai số giữa dữ liệu áp suất bão hòa thực nghiệm và số liệu tính toán từ nghiên cứu này 67 Bảng 3.5 Thông số nhiệt động trên đường bão hòa của R1234ze(Z) (theo nhiệt độ) 72 Bảng 3.6 Thông số nhiệt động của R1234ze(Z) trong vùng 1 pha 74 Bảng 3.7 Số liệu thực nghiệm thông số tới hạn của R1243zf 77 Bảng 3.8 Số liệu áp suất bay hơi của R1243zf. 77 Bảng 3.9 Số liệu thực nghiệm khối lượng riêng của R1243zf. 77 Bảng 3.10 Thông số nhiệt động của lỏng bão hòa và hơi bão hòa khô của R1243zf (theo nhiệt độ) 82 Bảng 3.11 Thông số nhiệt động của R1243zf trong vùng 1 pha 84 Bảng 4.1 Các chế độ nhiệt độ bay hơi và ngưng tụ của hệ thống máy lạnh 89 Bảng 4.2 Tính chất chung của một số MCL được lựa chọn nghiên cứu 89 x
Bảng 4.3 Độ sai lệch các tiêu chí về mặt nhiệt động của một số MCL thay thế cho R22 102 Bảng 4.4 Đánh giá tiềm năng thay thế của một số MCL cho môi chất R22 về mặt nhiệt động và hiệu quả năng lượng 102 Bảng 4.5 Đánh giá tổng thể tiềm năng thay thế của một số MCL cho môi chất R22 103 Bảng 4.6 Độ sai lệch các tiêu chí về mặt nhiệt động của một số MCL thay thế cho R134a 105 Bảng 4.7 Đánh giá tiềm năng thay thế của các MCL cho môi chất R134a về mặt nhiệt động và hiệu quả năng lượng 105 Bảng 4.8 Đánh giá tổng thể tiềm năng thay thế của một số MCL cho môi chất R134a 106 Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật của các thiết bị chính 111 Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật của bộ thu thập số liệu 113 Bảng 5.3 Độ không đảm bảo mở rộng U95 của các đầu đo nhiệt độ sau khi hiệu chuẩn 114 Bảng 5.4 Thông số nhiệt độ của đầu đo T2 chạy trong thời gian 10 phút ở chế độ thí nghiệm 116 Bảng 5.5 Thông số áp suất của đầu đo P1 chạy trong thời gian 10 phút ở chế độ thí nghiệm 118 Bảng 5.6 Thông số đặc trưng của chu trình sử dụng R1234ze(E) với hiệu suất nén không thuận nghịch bằng 100 % 124 Bảng 5.7 Thông số đặc trưng của chu trình sử dụng R1234ze(E) với hiệu suất nén không thuận nghịch thu được từ thực nghiệm 125 Bảng 5.8 Thông số đặc trưng của chu trình sử dụng R1234ze(E) thực nghiệm 125 Bảng PL.1 Thông số nhiệt động của R1234ze(Z) trên đường bão hòa PL17 Bảng PL.2 Bảng thông số nhiệt động theo áp suất và nhiệt độ của R1234ze(Z) ở vùng lỏng chưa sôi và hơi quá nhiệt PL23 Bảng PL.3 Thông số nhiệt động của R1243zf ở đường bão hòa PL36 Bảng PL.4 Bảng thông số nhiệt động theo áp suất và nhiệt độ của R1243zf ở vùng lỏng chưa sôi và hơi quá nhiệt PL40 Bảng PL.5 Sai lệch tương đối và tuyệt đối của hiệu suất nén không thuận nghịch theo nhiệt độ môi chất vào thiết bị bay hơi và vào máy nén. PL50 xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Ảnh hưởng của các loại MCL đến môi trường (theo tổ chức khí tượng thế giới, nguồn [8]) 14 Hình 1.2 Đồ thị p-h, T-s của 8 đồng phân HFO và R134a (nguồn [65]) 33 Hình 1.3 Đánh giá, phân tích lựa chọn MCL tiềm năng sử dụng cho lĩnh vực ĐHKK 35 Hình 2.1 Thế Lennard-Jones các phân tử của một chất 40 Hình 2.2 Lưu đồ thuật toán đơn hình tìm cực tiểu của hàm (nguồn [72]) 51 Hình 2.3 Lưu đồ thuật toán xác định tính chất nhiệt động của môi chất. 54 Hình 2.4 Lưu đồ thuật toán lựa chọn môi chất lạnh nghiên cứu tiềm năng 60 Hình 3.1 Cấu tạo không gian của R1234ze(Z) 63 Hình 3.2 Sai lệch giữa áp suất bão hòa thực nghiệm (ps,exp) và áp suất bão hòa tính toán (ps,cal) thu được từ nghiên cứu này. 68 Hình 3.3 Sai lệch giữa khối lượng riêng lỏng bão hòa thực nghiệm (ρ’s,exp) và khối lượng riêng lỏng bão hòa tính toán (ρ’s,cal) thu được từ nghiên cứu này 69 Hình 3.4 Sai lệch giữa khối lượng riêng hơi bão hòa thực nghiệm (ρ’s,exp) ∆ Yukihiro [26] và khối lượng riêng lỏng bão hòa tính toán (ρ’s,cal) thu được từ nghiên cứu này. 69 Hình 3.5 Sai lệch giữa khối lượng riêng pha hơi thực nghiệm (ρg,exp) ∆ Yukihiro [26] và khối lượng riêng pha hơi tính toán (ρg,cal) thu được từ nghiên cứu này. 70 Hình 3.6 Sai lệch giữa khối lượng riêng pha lỏng thực nghiệm (ρl,exp) ∆ Yukihiro [26] và khối lượng riêng pha lỏng tính toán (ρl,cal) thu được từ nghiên cứu này. 70 Hình 3.7 Sai lệch giữa khối lượng riêng pha hơi tính toán (ρl,cal) thu được từ nghiên cứu này và khối lượng riêng pha hơi thực nghiệm (ρl,exp) ở các khối lượng mẫu khác nhau 71 Hình 3.8 Đồ thị lgp-h của R1234ze(Z) 75 Hình 3.9 Cấu tạo không gian của R1243zf 76 Hình 3.10 Sai lệch giữa áp suất bão hòa thực nghiệm (ps,exp) □ Brown [20] và áp suất bão hòa tính toán ( ps,cal) thu được từ nghiên cứu này. 79 Hình 3.11 Sai lệch giữa khối lượng riêng lỏng bão hòa thực nghiệm (ρ’s,exp) □ Nicola [24] và khối lượng riêng lỏng bão hòa tính toán ( ρ’s,cal) thu được từ nghiên cứu này. 80 xii
Hình 3.12 Sai lệch giữa khối lượng riêng lỏng quá lạnh tính toán (ρl,cal) từ nghiên cứu này và dữ liệu thực nghiệm (ρl,exp) ở các nhiệt độ khác nhau. 81 Hình 3.13 Sai lệch giữa áp suất pha hơi tính toán (pg,cal) từ nghiên cứu này và dữ liệu thực nghiệm (pg,exp) ở các khối lượng riêng khác nhau 81 Hình 3.14 Đồ thị lgp-h của R1243zf 85 Hình 4.1 Sơ đồ thiết bị hệ thống máy lạnh nén hơi cơ bản 88 Hình 4.2 Đồ thị lgp-h của chu trình máy lạnh nén hơi cơ bản 88 Hình 4.3 Đường áp suất bão hòa tương ứng với nhiệt độ 90 Hình 4.4 Quan hệ của nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ đầu đẩy của máy nén 93 Hình 4.5 Quan hệ của nhiệt độ bay hơi và áp suất hơi hút của máy nén 94 Hình 4.6 Quan hệ của nhiệt độ bay hơi và tỉ số nén 95 Hình 4.7 Quan hệ của nhiệt độ bay hơi tới năng suất lạnh riêng thể tích 96 Hình 4.8 Quan hệ của nhiệt độ bay hơi và COP 97 Hình 4.9 Quan hệ của nhiệt độ ngưng tụ và năng suất lạnh riêng thể tích 98 Hình 4.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ tới hiệu suất năng lượng COP 98 Hình 4.11 Ảnh hưởng của hiệu suất nén không thuận nghịch của máy nén tới COP 100 Hình 4.12 So sánh các thông số nhiệt độ đầu đẩy máy nén, áp suất hút, COP, qv, và Π của chu trình sử dụng các môi chất tiềm năng thay thế cho R22 theo dải nhiệt độ bay hơi từ -5 ºC đến 15 ºC. 101 Hình 4.13 So sánh các thông số nhiệt độ đầu đẩy máy nén, áp suất hút, COP, q v, và tỉ số nén của chu trình sử dụng các môi chất tiềm năng thay thế cho R134a theo dải nhiệt độ bay hơi từ -5 ºC đến 15 ºC. 104 Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống và bố trí thiết bị đo 110 Hình 5.2 Hình ảnh tổng thể mô hình thí nghiệm sau chế tạo 112 Hình 5.3 Biến thiên nhiệt độ theo thời gian của đầu đo nhiệt độ T2 115 Hình 5.4 Biến thiên áp suất theo thời gian của đầu đo áp suất P1 117 Hình 5.5 Sơ đồ kết nối các thiết bị đo với modul thu thập dữ liệu và kết nối hiển thị trên máy tính. 119 Hình 5.6 Biểu diễn thông số nhiệt động tại các điểm nút của chu trình hệ thống lạnh sử dụng môi chất R134a, R1234ze(E) 123 xiii
Hình 5.7 COP thay đổi theo nhiệt độ môi chất vào bình bay hơi và hiệu suất nén không thuận nghịch của chu trình sử dụng môi chất R1234ze(E) 126 Hình 5.8 Quan hệ giữa nhiệt độ nước lạnh và hiệu quả biến đổi năng lượng của máy làm lạnh nước 128 Hình PL.1 Sơ đồ kết nối thiết bị dùng để kiểm chuẩn nhiệt độ PL14 Hình PL.2 Sơ đồ kết nối thiết bị dùng để kiểm chuẩn áp suất PL15 Hình PL.3 Sơ đồ bố trí thiết bị tổng thể mô hình thí nghiệm PL16 Hình PL.4 Quan hệ giữa tỉ số nén và hiệu suất không thuận nghịch của chu trình hệ thống lạnh sử dụng môi chất R1234ze(E) PL48 Hình PL.5 Quan hệ giữa hiệu suất nén không thuận nghịch và nhiệt độ môi chất vào máy nén của chu trình hệ thống lạnh sử dụng môi chất R1234ze(E) PL49 Hình PL.6 Quan hệ giữa hiệu suất nén không thuận nghịch và nhiệt độ môi chất vào bình bay hơi của chu trình hệ thống lạnh sử dụng môi chất R1234ze(E) PL50 xiv
LOGIC LUẬN ÁN Nguyên nhân gây biến đổi khí hậu: 2% do khí F. HFC chiếm 91% khí F. 86% PHƯƠNG PHÁP HFC sử dụng làm MCL trong máy lạnh và ĐHKK với tỉ lệ (35%/65%) NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA MỘT SỐ HFO TRONG LĨNH VỰC ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Khảo sát, tổng hợp Thế hệ MCL Cơ sở pháp lý Các hướng NC Phân tích, đánh giá HFO Đối tượng nghiên cứu R1234ze(Z) R1243zf R1234ze(E) R1234yf Khảo sát, tổng hợp Số liệu nhiệt động Số liệu nhiệt động Đánh giá, lựa chọn Mô hình toán xác định lực tương tác phân tử Phân tích hồi qui và tương quan, tối ưu hóa Xác định các thông số đặc trưng Bộ thông số đặc Bộ thông số đặc 1 2 trưng R1234ze(Z) trưng R1243zf Xác định số liệu Xác định số liệu nhiệt động nhiệt động Sai Sai Đánh giá sai số Đánh giá sai số So sánh, đánh giá so với tính toán so với tính toán Đúng Đúng 3 Bộ số liệu nhiệt động 4 Bộ số liệu nhiệt động R245fa,R32, NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CHU TRÌNH LẠNH R152a So sánh, đánh giá và R22 R1234ze(Z) R1243zf R1234ze(E) R1234yf phân tích R134a Tiềm năng ứng Có khả năng Có khả năng Có khả năng 5 dụng trong bơm thay thế thay thế thay thế nhiệt nhiệt độ cao R134a và R22 R134a và R22 R134a và R22 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CHU TRÌNH LẠNH Thử nghiệm, đánh giá sai số, khảo sát Chế tạo Thực nghiệm R134a Thực nghiệm R1234ze(E) các chế độ 6 R1234ze(E) có khả năng thay thế trực tiếp vào hệ thống sử dụng R134a Kết quả 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 và Kiến nghị xv
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, các nhà khoa học và các quốc gia trên thế giới đang nghiên cứu và thực hiện các chương trình hành động cụ thể nhằm giảm thiểu và ứng phó với các tác động của biến đổi khí hậu. Mục tiêu chính là cải thiện chất lượng bảo vệ môi trường, tiến tới phát triển bền vững. Trong đó, hướng giảm thiểu các nguyên nhân gây ra biến đổi khí hậu được quan tâm hàng đầu. Khi tìm ra các nguyên nhân và có biện pháp, hành động cụ thể thì vấn đề chất lượng môi trường mới được cải thiện triệt để. Theo đánh giá khoa học của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) năm 2014 [1], các khí nhà kính Flo hóa (khí F) chiếm khoảng 2 % nguyên nhân gây hiện tượng nóng lên toàn cầu. Nguồn phát thải khí F chủ yếu từ con người tạo ra và sử dụng trong các ứng dụng dân dụng và công nghiệp. Khí F bao gồm hydrofluorocarbon HFCs (91 %), perfluorocarbon PFCs (6 %) và lưu huỳnh hexafluoride SF6 (3 %) [2]. Trong khi đó, các chất HFCs lại là loại môi chất được ứng dụng nhiều trong ngành lạnh và điều hòa không khí (ĐHKK) chiếm đến 86 % lượng sử dụng HFC (tính theo đơn vị CO2 tương đương GWP) theo thống kê năm 2012 [3]. Nếu giảm thiểu được nguyên nhân này thì sẽ góp phần quan trọng trong tiến trình bảo vệ môi trường của thế giới. Nhu cầu sử dụng môi chất lạnh (MCL) cho các hệ thống máy lạnh rất lớn và không ngừng tăng theo thời gian. Để đáp ứng được các nhu cầu phát triển của ngành mà không ảnh hưởng tới môi trường, việc giảm thiểu sử dụng các môi chất HFCs có chỉ số tiềm năng làm nóng trái đất (GWP) cao đã trở thành một vấn đề quan trọng trong chiến lược phát triển của ngành. Thực tế cho thấy cách sử dụng MCL thân thiện với môi trường thay thế cho các môi chất hiện dùng luôn được ưu tiên, đặc biệt là các môi chất có hiệu suất biến đổi năng lượng cao. Vì vậy, việc tìm MCL thay thế tiềm năng đã và đang được quan tâm. Đây là cách phát triển bền vững. MCL phù hợp vừa có khả năng giảm thiểu ô nhiễm đến môi trường vừa có khả năng nâng cao hiệu suất biến đổi năng lượng. Trong các ứng dụng về lạnh và ĐHKK, ĐHKK đóng một vai trò rất quan trọng cả trong lĩnh vực tiện nghi phục vụ cho con người và trong lĩnh vực công nghệ phục vụ cho quá trình sản xuất. Nhu cầu điều hòa tiện nghi hay công nghệ ngày một tăng lên, 1
tương ứng với lượng MCL sử dụng trong các hệ thống này cũng tăng theo nhanh chóng. Hiện nay, phần lớn các máy lạnh và ĐHKK sử dụng môi chất R22, R134a và R410A (hỗn hợp của R32 và R125). Trong đó, R22 là chất HCFC đã bị cấm sử dụng ở các nước phát triển và đang được sử dụng trong thời gian quá độ ở các nước đang phát triển. R134a là chất thuộc nhóm HFC không phá hủy tầng ô-dôn. Tuy nhiên, do R134a có chỉ số làm nóng địa cầu cao (GWP = 1430) [4], nên đang được các nước phát triển nghiên cứu thay thế hoặc cấm sử dụng. Lượng tiêu thụ R134a toàn cầu là 28 % theo thống kê năm 2012 [3]. R125 trong hỗn hợp R410A có chỉ số GWP cao, bằng 3500 [4]. Lượng tiêu thụ R125 cũng rất lớn, 43 % [3]. Cộng đồng Châu Âu đã đưa ra pháp lệnh và hướng dẫn cấm sử dụng các loại môi chất có chỉ số GWP lớn hơn 150 ở các loại ô tô mới được sản suất từ năm 2011 và cấm trên tất cả các loại ô tô từ năm 2017 [5]. Ở Việt Nam, Bộ tài nguyên và môi trường đã ra quyết định số 1888/QĐ-BTNMT [6] với các mục tiêu chi tiết nhằm đảm bảo lộ trình loại bỏ hoàn toàn tiêu thụ các chất HCFC theo quy định của nghị định thư Montreal. Mục tiêu cụ thể là: Việt Nam tuân thủ nghĩa vụ giảm 35 % mức tiêu thụ cơ sở các chất HCFC từ năm 2020 đến 2024; loại bỏ 1000 tấn HCFC-22 sử dụng trong lĩnh vực làm lạnh và ĐHKK gia dụng, lĩnh vực làm lạnh, sản xuất xốp XPS. Vì vậy, việc nghiên cứu tìm kiếm, đánh giá các loại MCL thân thiện môi trường thay thế trong các hệ thống ĐHKK là rất cần thiết. Bên cạnh lượng MCL HFCs, HCFCs sử dụng trong hệ thống ĐHKK tăng lên thì việc tiêu thụ năng lượng cho các hệ thống này cũng là một vấn đề lớn. Lượng điện tiêu thụ trong các tòa nhà phục vụ cho hệ thống lạnh chiếm tới 50 % tổng lượng điện tiêu thụ, và chiếm tới 20 % năng lượng tiêu thụ của một quốc gia [7]. Do đó, nếu hiệu suất biến đổi năng lượng của các hệ thống này tăng lên sẽ góp phần giảm thiểu năng lượng tiêu thụ, từ đó gián tiếp góp phần giảm phát thải CO2. Chính vì vậy, khi nghiên cứu, tìm kiếm môi chất lạnh thay thế, tiêu chí quan trọng là các môi chất này phải có hiệu suất biến đổi năng lượng cao để gián tiếp góp phần giảm phát thải CO2, không ảnh hưởng tới sức khỏe của con người, đồng thời, thân thiện với môi trường. Hiệu suất biến đổi năng lượng của các môi chất thay thế cho một hệ thống phải tương đương, hoặc cao hơn so với loại môi chất đang dùng trong hệ thống đó. Tiêu chí không ảnh hưởng tới môi trường được đánh giá qua các chỉ số tiềm năng suy giảm tầng ô-dôn (ODP) và chỉ số tiềm năng làm nóng trái đất GWP. Các chỉ số này càng thấp 2
càng ít ảnh hưởng tới môi trường. Trong các dòng môi chất đang được quan tâm nghiên cứu (thế hệ MCL thứ tư) như các HFCs, HFOs, HFs, các môi chất lạnh tự nhiên (Hydrocarbons, CO2, NH3,…) thì Hydrofluoro-olefin (HFO) là một trong các dòng môi chất tiềm năng nhất. Dòng môi chất này thỏa mãn các tiêu chí là môi chất lạnh thay thế bền vững (có chỉ số ODP bằng 0, chỉ số GWP thấp và có một số tính chất nhiệt động phù hợp) nên được đánh giá cao và giới khoa học đặc biệt quan tâm. Đồng thời, các chất HFO cũng được liệt kê trong các văn bản pháp luật liên quan đến các ứng viên MCL thay thế. Tuy nhiên, để đánh giá khả năng sử dụng và hiệu quả sử dụng của môi chất trong hệ thống như thế nào thì nhất thiết phải có một bộ số liệu nhiệt động đầy đủ, chi tiết và chính xác. Từ những phân tích trên cho thấy hướng nghiên cứu các MCL thay thế tiềm năng cho các MCL hiện dùng trong các hệ thống lạnh và điều hoà không khí để giảm thiểu được ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả biến đổi năng lượng là hướng nghiên cứu cần thiết. Vì vậy, với mong muốn nghiên cứu MCL thay thế tiềm năng phù hợp sử dụng trong lĩnh vực ĐHKK, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu xác định tính chất nhiệt động và khả năng ứng dụng của một số HFO trong lĩnh vực điều hòa không khí”. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu MCL thay thế tiềm năng thuộc thế hệ MCL thứ 4 để thay thế cho các MCL hiện dùng trong các hệ thống ĐHKK thỏa mãn các tiêu chí giảm thiểu ô nhiễm môi trường và/hoặc nâng cao hiệu quả làm lạnh. 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về thế hệ các MCL, các văn bản quy phạm pháp luật liên quan đến hướng phát triển của MCL, các hướng nghiên cứu của môi chất. Lựa chọn chất nghiên cứu trong luận án là dòng môi chất HFO: R1234ze(Z), R1243zf, R1234yf, R1234ze(E). - Nghiên cứu lý thuyết mô hình tương tác phân tử và phương pháp xác định các đại lượng đặc trưng của phân tử trong mô hình tương tác phân tử. Nghiên cứu xác định các 3